RFID中天线的优化设计

第25卷第7期电子测量与仪器学报Vol. 25 No. 7626●JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT2011年7月DOI: 10.3724/SP.J.1187.2011.00626RFID中天线的优化设计”张东姜岩峰生晓坤(北京自动测试技术研究所,北京10088)摘要: RFID(射频识别)芯片可在某些自动控制系统中用于信号的接收与检测，其中天线的集成设计关系到整个系统的体积及性能，因此,天线的集成化设计成为RFID技术研究的一个重点。本文首先用集总参数模型对片上天线进行建模,并采用标准CMOS工艺设计天线,而且用IE3D电磁仿真工具对其进行仿真,验证了片上天线的可行性及实用性,最后讨论了片上天线的优化设计和改进工艺对天线性能的有效提高。关键词:自动控制;片上天线;电磁仿真;优化设计中图分类号: TN402文献标识码:A国家标准学科分类代码: 510.3030Optimization design of antenna in the radio frequency identificationZhang Dong Jiang Yanfeng Sheng Xiaokun(Bejing Institute of Auto-Testing Technology, Beijing 10088, China)Abstract: The chip of radio frequency identification can be used to receive and detect the signal in some automaticcontrol system. The integrated design of the antenna concerns the volume and performance of the whole system, so theintegrated design of antenna has become an emphases for the study of RFID technology. Firstly, a lumped parametermodel is used to model the antenna. Then the antenna is designed with the standard CMOS technology and is simulated bythe electromagnetism simulation tool. The feasibility and practicability of the antenna on single chip can be tested by thisay. Finally, the optimization design of the antenna on single chip is discussed. At the same time, the performance of theantenna can be enhanced effectively with the improved technology.Keywords: automatic control system; antenna on single chip; electromagnetism simulation; optimization design1引言部选项中选定自己所需要车的颜色、引擎号,还有天线在RFID(射频识别)系统中占据很重要的地轮胎样式等要求。这样,汽车装配流水线上就得装配_上百种样式的宝马汽车,需要非常复杂的控制系位,其设计性能的好坏及体积的大小决定了系统的统。宝马公司在其装配流水线上配有RFID系统,输整体性能和应用领域的进-一步拓展。 尤其是RFID人详细的汽车所需的所有要求， 在每个工作点处都中天线的微型化即将天线集成到芯片内使得RFID有读写器,可以保证各款汽车在各个流水线处能被芯片可以方便地应用于空间受限的场所,通过接收毫不出错地组装出来。此外,由于天线的集成化,能指令信息，从而实现对某些系统的自动化控制1-5)。够将RFID芯片封装到汽车钥匙当中,并在汽车上在门控系统中可用来进行人员身份识别，若装有读写器。RFID芯片中含有特定码字,当钥匙插RFID芯片接收到正确的信息，则通过控制电路将人点火器中，读写器能够辨别钥匙的身份。如果读门打开，否则拒绝来人进入。德国宝马汽车公司在写器接收不到RFID芯片发送来的特定信号,汽车装配流水线上应用RFID芯片以尽可能大量地生产的引擎将不会发动。目前，欧洲丰田汽车、福特汽用户定制的汽车。宝马汽车的生产是基于用户提出车和Mitsub中国煤化工造商Hyundai的要求样式而生产的:用户可以从上万种内部和外等在它的欧YHCNMHG片在欧洲和美本文于2011年4月收到。*基金项目:北京市科学技术研究院科技创新I程(编号: PXM2011-178102-113436)资助项目。.第7期RFID中天线的优化设计627●国出售的汽车中用于防盗。目前全世界已经有大约当片上天线的总长度远小于其工作频率所对应数百万辆汽车装有该防盗系统168]。的波长时，可以将片上天线看作是一个集总模型!8。本文首先用集总参数模型对片上天线进行建模,工作频率13.56 MHz对应的波长为:并采用标准CMOS工艺设计天线，而且用IE3D电3x108≈22.1 m(1)磁仿真工具对其进行仿真，验证了片上天线的可行a==13.56x106性及实用性，最后讨论了片上天线的优化设计和改设e= w+s=8.8 um,则天线的总长度为: .进工艺对天线性能的有效提高。lp=4n[1-(n-l)e]=4x33x[2x10- -(33-1)x8.8x100]~ 0.227 m(2)2天线 的设计由基本的RFID系统主要包括标签芯片、阅读器4= 022 =0.0103<5%(3)h“22.1和信息处理系统。由于RFID系统要求精确地接收可以将该天线看作是一个集总模型,如图2所信号,因此需要耦合良好,可靠性高的天线，同时示。其中L.为线圈的电感值,R,为线圈的寄生电阻,也要求标签具有体积小，功耗低,工作距离进可能Cr、Cr、Cox分别指顶层金属与下层通道之间的交叠远的性能来满足各种应用场所7111。RFID中的天线在很大程度上决定了RFID芯片的电容、衬底的分布电容、线圈和衬底之间的氧化层设计性能,因此，天线的优化设计尤其显的重要。它的电容, R;;为衬底的电阻。基本出发点是利用法拉第电磁感应原理把外界变化的__R磁场转化为芯片上的电源电压作为整个芯片的工作电源,同时利用电磁场变化引起的片上电流或电压的变化来鉴别接收信号,通过改变其自身对外等效阻抗导致的外界磁场变化把信号传输至接收端2-15]。千C2采用标准CMOS工艺在平面硅基衬底上淀积金属铝连线围绕形成螺旋状从而具有电感的特性,设定天线的工作频率f为13.56 MHz,处于- -个磁感2R。| CJ22R。C/2应强度B为10高斯左右的磁场中。从市场成本的角度考虑,天线的面积不超过4 mm?, 采用正方形平面螺旋结构来设计天线,则天线的最大外边长可取2 mm。此外，设天线的内径为1 414 um,圈数n图2片上天线集总参数模型为33,金属铝线宽w为8um,金属线之间的间距sFig. 2 Chip antenna lumped parameter model为0.8um,图1为正方形平面螺旋电感天线示意图。根据相关公式，由天线的几何尺寸可以计算出天线的等效总面积:A= nl2 -2len(n+ 1)+(2/3)e2n(n+ 1)(2n+1)=33x(2x10-)2 -2x2x10-3 x8.8x106 x33<(33+1)+(2/3)x(8.8x10*)2 x33>(33+ 1)*(2x33+1) =96.39 mm2(4)天线的开路电压为:2rgBA中国煤化工(5)1YHC N MH G8.21V图1正方形平面螺旋电感天线示意 图经过全波整流得到的天线的开路直流电压为:Fig. 1 Schematic diagram of plane spiral inductanceantenna with squareVDc-OPEvYp-p-0.7=x8.21-0.7=3.41 v (6)2.628●电子测量与仪器学报第25卷当取天线的负载R为5 kQ时,天线可提供的4讨论功率为:采用CMOS工艺制造片上天线,天线的性能不p=VDC-OPEN5x103∞2.33 MW7)可避免地会受到各种损耗机制的影响。损耗主要来RL由以上计算出的数据可知该天线能满足一般源于两个方面:金属连线的损耗和衬底效应引起的RFID芯片电路正常工作时所需要的电压和功率。损耗。由于金属连线的电导率有限，部分能量将以热能形式损耗在连线中。随着频率的增加,由于金3天线的仿真属连线中涡流的影响,表现为趋肤效应和邻近效对设计出的天线需进行仿真,以验证其设计的应。金属连线中的电流分布不再均匀,涡流引起的正确性。本文采用目前最为通用、简单易学、高效磁场将和原来的磁场方向相反。涡流的存在使金属准确的电磁仿真工具IE3D来进行天线的仿真9。线中的净电流减小，因而导致金属线的交流阻抗增在ZELAND FOLDER文件夹中双击MGRID运加。衬底中的涡流的流向和电感中电流的流向相反,行线路图编辑器绘制天线的线路图。建立- -个新文因此涡流引起的磁场将使原来的磁感应强度减小，件,设置基本参数。首先设置单位为um,线路图的因而导致电感值的下降和串联电阻的增加。此外,尺寸长为-1 000~1 000,宽为-1 000~1 000,网格为衬底耦合噪声也会严重影响天线的性能，可通过仔0.1。然后定义衬底层参数, MGRID默认建立两层介细设计版图来减小和消除。质: No.0是电导率为4.9x107 s/m的金质良导体,在片上天线和衬底之间插人地阻隔层来把螺旋No.0衬底层上表面z坐标总等于0且不能改变。No.1电感 和衬底分开是减小耦合噪声提高Q值的一种很层是空气,其上表面z坐标Zop=1.0x10'S mm,也就有效的方法,地阻隔层可以由阻抗较低的一铝或多是说整个上半空间填充满空气。在No.1层上再分别晶硅形成，相当于将衬底用小电阻短路来阻止通向定义z坐标Zop=675, 介电常数为12,磁导率为1,衬底的电流。为了阻止地阻隔层中涡流的产生,可电导率为5的衬底层和z坐标Zop=675.85,介电常以将地阻隔层做成放射状图样,如图4所示，这样数为4,磁导率为1,电导率为0的绝缘层。接下来就切断了感应的涡流的通路。最后要用最上层的金定义金属带类型,默认No.1金属带,其参数为金属属将放射状阻隔层连起来接到地,并且连接时要注线厚度为2,介电常数为1,磁导率为1, 电导率为意避免形成环路引起涡流。4.9x10' s/m,再定义-层No.2金属带,其参数为金属线厚度为4,介电常数为1,磁导率为1, 电导率为4.9x107 s/m。参数定义完后就可以绘制正方形平面螺旋电感线路了，如图3所示。@图4放射状地阻隔层ig. 4 Radial ground separate layer中国煤化工5结MHCNMHG图3正方形平面螺旋 电感线路片上天线具有很高的实用价值,通过制造工艺Fig.3 Circuit of plane spiral inductance antennawith square的不断改进，进-步采取更为有效的隔离措施，可.第7期RFID中天线的优化设计629.减小各种耦合噪声及千扰，使片上天线的性能得到mation & Management Enginering, 2009, 31(3): 354-更好的提高。高性能的天线能使接收到的信号更为[11]姜岩峰,张晓波. 8位高速RISC微处理器的设计[].357准确,从而能精确地控制相关电路,实现某- -特定电子与封装, 2005, 5(5): 25-28.功能。JIANG Y F, ZHANG X B. 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